于凱，薛松，袁飛帆，王鵬

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0 引 言

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地是汽輪發(fā)電機(jī)常見的故障形式之一。一點(diǎn)接地不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)造成損壞，但是如果不能及時(shí)處理，可能會(huì)發(fā)展為兩點(diǎn)接地，導(dǎo)致燒傷轉(zhuǎn)子本體以及勵(lì)磁繞組，引起發(fā)電機(jī)振動(dòng)，甚至造成發(fā)電機(jī)和汽輪機(jī)軸系磁化。因此，大型汽輪發(fā)電機(jī)都裝設(shè)有一點(diǎn)接地保護(hù)監(jiān)測(cè)裝置［1］。

實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)行人員監(jiān)測(cè)到轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置動(dòng)作信號(hào)后應(yīng)首先排查故障點(diǎn)，確認(rèn)故障后投入兩點(diǎn)接地保護(hù)。由于需要排查的環(huán)節(jié)多，且運(yùn)行中無(wú)法檢查發(fā)電機(jī)內(nèi)部，因此要確定是轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)故障還是保護(hù)裝置誤報(bào)警有很大的難度。

從近年來(lái)同類發(fā)電機(jī)的運(yùn)行實(shí)踐來(lái)看，造成轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤報(bào)警的發(fā)生有多種可能：（1）保護(hù)裝置設(shè)計(jì)不完善［2］；（2）接地裝置接線不當(dāng)［3］；（3）接地裝置不可靠等［4-6］。

1 報(bào)警及處理經(jīng)過

（1）機(jī)組型號(hào)

某火電廠發(fā)電機(jī)型號(hào)為QFSN-1030-2-27型三相隱極式同步發(fā)電機(jī)，冷卻方式為水氫氫，勵(lì)磁系統(tǒng)為某公司的EX2100B勵(lì)磁裝置。

（2）轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置

發(fā)電機(jī)配置有RCS-985RE直流方波注入式（以下簡(jiǎn)稱注入式）和RCS-985RS乒乓式兩種轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。在發(fā)電機(jī)汽端，用一對(duì)呈90°布置的銅辮實(shí)現(xiàn)大軸接地，并組成轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的一部分。正常運(yùn)行時(shí)，投入注入式保護(hù)，乒乓式保護(hù)備用。

（3）保護(hù)動(dòng)作情況

2015年11月，該廠1#發(fā)電機(jī)運(yùn)行中，注入式保護(hù)裝置間斷發(fā)出“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)電機(jī)集電環(huán)、碳刷架、勵(lì)磁柜［7］，未發(fā)現(xiàn)接地點(diǎn)。運(yùn)行人員退出注入式保護(hù)，切換到乒乓式保護(hù)后，乒乓式保護(hù)同樣發(fā)“發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警信號(hào)。在準(zhǔn)備降負(fù)荷停運(yùn)1臺(tái)整流柜（共4臺(tái)）繼續(xù)排查時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)人員發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)汽端兩處接地銅辮均出現(xiàn)不同程度的打火，檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)銅辮上積有油泥，懷疑是造成打火的直接原因。用壓縮空氣吹掃銅辮清除油泥后，打火現(xiàn)象消失，保護(hù)裝置報(bào)警信號(hào)也隨之消失，說(shuō)明轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警正是由接地銅辯打火所致。

2 原因分析

就國(guó)產(chǎn)注入式保護(hù)和乒乓式保護(hù)來(lái)說(shuō)，文獻(xiàn)［5］詳細(xì)分析了大軸接地碳刷接地不可靠引起的保護(hù)測(cè)量回路地電位的變化，解釋了注入式保護(hù)裝置誤報(bào)警的原因；文獻(xiàn)［8］分析了正常情況下和轉(zhuǎn)子繞組接地后注入式保護(hù)裝置回采電壓的差異，闡述了注入式保護(hù)的動(dòng)作原理。本文主要從注入式保護(hù)和乒乓式保護(hù)的數(shù)學(xué)模型出發(fā)，對(duì)大軸接地銅辮與大軸接觸不可靠時(shí)對(duì)保護(hù)裝置的影響進(jìn)行理論分析。

當(dāng)接地銅辮的接地不良時(shí)，相當(dāng)于增加了轉(zhuǎn)子繞組的對(duì)地絕緣電阻，理論上這種情況應(yīng)該導(dǎo)致保護(hù)裝置拒動(dòng)而不是造成報(bào)警誤發(fā)。實(shí)際上，上述分析僅適用于穩(wěn)定的接地不良情形；而接地銅辮處出現(xiàn)的打火屬于間歇性的接地不良。

下面分別分析這種現(xiàn)象對(duì)注入式保護(hù)和乒乓式保護(hù)的影響。

2.1 注入式保護(hù)報(bào)警分析

注入式保護(hù)的原理如圖1所示。

保護(hù)裝置在轉(zhuǎn)子繞組兩端注入±48 V的方波電壓Us。通過其分別為正負(fù)時(shí)，流經(jīng)測(cè)量電阻Rx的電流i、i′計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻Rg［9］，與整定值進(jìn)行比較。假設(shè)保護(hù)裝置采樣過程中轉(zhuǎn)子電壓不變，由回路電流法可得（大軸接地良好）：

圖1 注入式保護(hù)原理圖Fig.1 Schematic diagram of injection protection

接地銅辮接地不良時(shí)，如圖2所示，可以認(rèn)為在大軸絕緣電阻和大地之間串接了一個(gè)接觸電阻Rj，接地銅辮打火時(shí)，接觸電阻消失?？紤]下列兩種極端情況對(duì)注入式保護(hù)的影響：（1）方波電源為正值時(shí)接觸電阻為Rj，負(fù)值時(shí)接觸電阻為0；（2）方波電源為正值時(shí)接觸電阻為0，負(fù)值時(shí)接觸電阻為Rj［6］。

圖2 大軸間歇性接地時(shí)注入式保護(hù)示意圖Fig.2 Schematic diagram of injection protection when the shaftwas grounded intermittently

其與實(shí)際值的變化量為：

式中：

需要說(shuō)明的是，式（1）～式（4）與文獻(xiàn)［6］對(duì)應(yīng)的表達(dá)式不同，本文按照回路電流法對(duì)上述表達(dá)式進(jìn)行了修正?？梢钥闯?，由于接地銅辮間歇性接地，當(dāng)i′＞i時(shí)，△Rg＜0，絕緣電阻測(cè)量值比實(shí)際值小，當(dāng)小于整定值時(shí)，保護(hù)裝置報(bào)警。從公式（4）可見，由于分子中Rj的存在，容易滿足i′＞i。

對(duì)第2種情況，絕緣電阻測(cè)量值設(shè)為R′g，可得：

其與實(shí)際值的變化量為：

式中：

同上，由于接地銅辮的間歇性接地，當(dāng)i＞i′時(shí)，△Rg＜0，絕緣電阻測(cè)量值比實(shí)際值小，當(dāng)小于整定值時(shí)，保護(hù)裝置報(bào)警。由式（7）可見，由于分子中Rj的存在，也容易滿足 i＞i′。

2.2 乒乓式保護(hù)報(bào)警分析

乒乓式保護(hù)的原理接線如圖3所示。

圖3 乒乓式保護(hù)原理圖Fig.3 Schematic diagram of Ping Pong protection

乒乓式保護(hù)通過S1閉合、S2斷開（回路1，2電流分別為 i1，i2），以及 S1斷開、S2閉合（回路 1，2電流分別為i1’，i2’）兩種狀態(tài)下回路方程計(jì)算絕緣電阻Rg［10］，與整定值進(jìn)行比較。假設(shè)保護(hù)裝置采樣過程中轉(zhuǎn)子電壓不變，計(jì)算式如下（大軸接地良好）：

同注入式保護(hù)相似，接地銅辮接地不良時(shí)，如圖4所示，可以認(rèn)為在大軸絕緣電阻和大地之間串接了一個(gè)接觸電阻Rj。接地銅辮打火時(shí)，接觸電阻消失?？紤]下列兩種極端情況對(duì)乒乓式保護(hù)的影響：（1）S1閉合、S2斷開時(shí)接觸電阻為Rj，S1斷開、S2閉合時(shí)接觸電阻為0；（2）S1閉合、S2斷開時(shí)接觸電阻為0，S1斷開、S2閉合時(shí)接觸電阻為Rj［6］。

圖4 大軸接地不可靠時(shí)的乒乓式保護(hù)示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ping pong protection when the shaft grounds intermittently

其與實(shí)際值的變化量△Rg為：

式中：

需要說(shuō)明的是，式（9）～式（11）與文獻(xiàn)［6］對(duì)應(yīng)的表達(dá)式不同，本文按照回路電流法對(duì)上述表達(dá)式進(jìn)行了修正。由上述公式可以看出，由于接地銅辮的間歇性接地，當(dāng)時(shí)，△Rg＜0，絕緣電阻測(cè)量值比實(shí)際值小，當(dāng)滿足裝置的整定值時(shí)，保護(hù)裝置報(bào)警。

其與實(shí)際值的變化量為：

式中：

3 結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)運(yùn)行過程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置發(fā)“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警信號(hào)的排查，確定接地銅辮處油泥污染引起的間歇性接地是造成本次誤發(fā)報(bào)警的原因。理論分析從數(shù)學(xué)模型上驗(yàn)證了其誤動(dòng)機(jī)理。

該型號(hào)發(fā)電機(jī)配置的RCS-985RE直流方波注入式和RCS-985RS乒乓式兩種轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置在國(guó)內(nèi)已經(jīng)普遍應(yīng)用，設(shè)計(jì)成熟，電廠的日常維護(hù)工作到位，保護(hù)裝置自身環(huán)節(jié)造成的誤報(bào)警可能性很小。但是發(fā)電機(jī)支持軸瓦或密封油瓦滲漏的油霧容易造成發(fā)電機(jī)大軸接地裝置的污染，引起大軸接地不可靠，進(jìn)而可能引發(fā)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置誤報(bào)警，由于正在運(yùn)行的發(fā)電機(jī)故障排查難度大，因此影響了運(yùn)行人員的正常操作，甚至導(dǎo)致運(yùn)行人員誤判。上述分析對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行維護(hù)具有參考意義。